JP2004260138A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、有機系プリント配線基板と同様の製造方法で作られた搭載用基板に半導体チップをフリップチップ接続した例えばBGA(Ball Grid Array )型のような半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device such as a BGA (Ball Grid Array) type in which a semiconductor chip is flip-chip connected to a mounting substrate manufactured by the same manufacturing method as an organic printed wiring board, and a method of manufacturing the same.
一般的に半導体チップをフリップチップ接続する搭載用基板は、有機系プリント配線基板と同様の製造方法で製作されたものである。搭載用基板は、配線層数が目的応じて二層から十数層で形成されている。しかし、十数層の配線層があるにも係わらず搭載用基板の厚さは0.5〜2.0mm程度であり、外力や異種材料間の熱膨張率の差による生じる応力に非常に弱く変形しやすい。搭載用基板の外形寸法は、この搭載用基板に搭載する半導体チップの大きさ、外部端子数、前記外部端子の配列、例えばフルグリッドか周辺グリッドかによって大きく異なる。一例をあげれば軽量薄型化の要求で半導体チップが約17〜20mm□、このチップのパッド電極数2000〜3000個、搭載用基板に設けなければならない外部端子数(バンプ)1800〜2000個の配列をフルグリッドにした場合、搭載用基板の外形は45乃至50mm□、厚さは1.0〜2.5mm程度である。 Generally, a mounting substrate for flip-chip connection of a semiconductor chip is manufactured by the same manufacturing method as an organic printed wiring board. The mounting substrate is formed with two to more than ten wiring layers depending on the purpose. However, despite the presence of more than a dozen wiring layers, the thickness of the mounting substrate is about 0.5 to 2.0 mm, and is extremely weak to stresses caused by external forces and differences in the coefficient of thermal expansion between different materials. Easy to deform. The external dimensions of the mounting board differ greatly depending on the size of the semiconductor chip mounted on the mounting board, the number of external terminals, and the arrangement of the external terminals, for example, a full grid or a peripheral grid. As an example, an array of semiconductor chips of about 17 to 20 mm square in order to reduce weight and thickness, the number of pad electrodes of this chip is 2000 to 3000, and the number of external terminals (bumps) 1800 to 2000 must be provided on a mounting substrate. Is a full grid, the outer shape of the mounting substrate is 45 to 50 mm square, and the thickness is about 1.0 to 2.5 mm.
最初に、従来の半導体装置について特許文献1と図19を参照して説明する。図19(a)は、例えば特許文献1に記載された従来の半導体装置200で蓋部(「リッド」とも称される)231を取り外した状態の平面図であり、図19(b)は図19(a)のE−E’線に沿った位置で蓋部231を取り付けた状態の断面図である。この半導体装置200は、1mm程度の厚さの搭載用基板210に半導体チップ220がフリップチップ接続され、その隙間にアンダーフィル樹脂240を充填して硬化させてある。又、半導体チップ220の周辺を囲むように補強材(「スティフナ」とも称される)230が搭載用基板210に接着され、半導体チップ220の裏面と補強材230の端面に導電性接着材243によって蓋部231が固着されている。また、補強材230と半導体チップ220の側面の間は、空間247が形成されている。
First, a conventional semiconductor device will be described with reference to
次に図20(a)〜(d)及び図21(a)〜(c)を参照して、従来の半導体装置200の製造方法の概要を説明する。まず、上述した搭載用基板210と半導体チップ220と補強材230とアンダーフィル樹脂240とエポキシ樹脂接着材242と導電性接着材243と蓋部231を準備し、図20(a)の配線基板図をスクリーン印刷機またはディスペンサのステージ(図示せず)にセットする。次いで搭載用基板210の周囲に熱膨張率が16〜22ppmのエポキシ樹脂接着材242をスクリーン印刷機又はディスペンサで塗布する。その後、補強材230を載置して所定の温度(100℃〜160℃程度)でキュアする(図20(b))。次に、半導体チップ220のパッド221上に形成されたバンプ電極222と搭載用基板210のランド211をフリップチップマウンター(図示せず)により位置合わせした後、低融点合金、例えばPbフリー半田の場合は250℃前後の温度で溶融接続する(図20(c))。
Next, with reference to FIGS. 20A to 20D and FIGS. 21A to 21C, an outline of a conventional method of manufacturing the
また、別の方法では、半導体チップ220のパッド221と搭載用基板210のランド211の接続方法として接合面の材料がAuとAl、AuとAuから構成され加熱しながら超音波をかけて接続する方法がある。この場合は、 補強材230と搭載用基板210を接着するエポキシ樹脂接着材242の本キュアは別工程で本キュアする。次に、搭載用基板210と半導体チップ220の接着強度を確保するために熱膨張率が32ppm程度で流動性のあるアンダーフィル樹脂240をディスペンサ等で両者間の数100μm程度の隙間に毛細管現象を利用して充填する。次にアンダーフィル樹脂240を100℃程度の温度でキュアする(図20(d))。
In another method, as a method of connecting the
次いで、熱膨張率が16〜22ppmの導電性接着材243を補強材230の端面と半導体チップ220の裏面上に塗布または印刷方法で付着させる(図21(a))。次に、蓋部231を補強材230に位置合わせして蓋部231を載置して荷重を掛け、更にこの状態で150〜170℃程度の温度でキュアして導電性接着材243を硬化させる(図21(b))。キュア方法は、オーブンでバッチ処理する方法、ベルト炉内に連続的に投入してキュアする一般的な方法がある。
Next, a
最後に、搭載用基板210のランド212に外部端子である半田バンプ213を一般的な方法で接着する(図21(c))。従来の半導体装置200では、搭載用基板210のランド212に半田バンプ213が接着された直後の室温状態で既に、例えば図22(a)に示すように、搭載用基板210の半導体チップ220との対向部が100μm程度半導体チップ220側に引っ張られ、チップ搭載面側に凸の形状になっている。
Finally,
図22(a)はこの半導体装置200が20℃の常温のときの搭載用基板210の基板反りの状態を模式的に示した図であり、図22(b)及び図22(c)はそれぞれ半導体装置200が−45℃の低温度のとき及び150℃の高温度のときの搭載用基板210の基板反りの状態を模式的に示した図である。従来の半導体装置200では、図22(a)のように、20℃の常温状態で100μm程度チップ側に凸の状態である。この状態から−45℃に冷却すると、図22(b)のように反り量は180μmまで増大する。常温に戻して次に150℃に加熱すると、図22(c)のように反り量は約50μm迄減少する。従って、従来の半導体装置200に対して、−45℃の低温度状態と150℃の高温度状態との間の温度サイクルが数百回から千回程度繰り返されると、半導体チップ220のパッド221と搭載用基板210のランド211を接合するバンプ電極222にクラックが生じたり、各接合界面で剥離が生じる。
FIG. 22A is a diagram schematically showing the state of warpage of the
温度サイクルで半田バンプにクラックが生じたり、パッドやランドとの接合界面で剥離が生じる理由は次のように推定される。図23は、この理由を説明するためのバンプ電極222近傍の模式的な拡大図である。以下、図22,23を参照しながら説明する。アンダーフィル樹脂240を充填することで平面方向の応力を吸収しているが、アンダーフィル樹脂240の収縮によりバンプ電極222が半導体チップ220側に引っ張られると共に垂直方向の力が掛かる状態となる。この状態で温度サイクルを繰り返すと半導体チップ220を含めて搭載用基板210が、図22(a)乃至図22(c)に示されるような凸形状と平坦形状を繰り返すことによってバンプ電極222のパッド221との接続部又は搭載用基板210のランド211との接続部に引っ張りと圧縮の応力が繰り返され、バンプ電極222にクラック217が生じたり、各接合界面で剥離218が生じ、破壊に至るものと推定される。
The reason why cracks occur in the solder bumps or peeling occurs at the bonding interface with the pads or lands in the temperature cycle is presumed as follows. FIG. 23 is a schematic enlarged view near the
上述した製造方法で製造された半導体装置200は、0.5〜2.0mm厚の樹脂搭載用基板210の配線電極211に0.7mm厚の半導体チップ220のパッド221がバンプ電極222により接続され、接続部を補強するアンダーフィル樹脂240で固着されている。また、半導体チップ220を囲むように0.5〜1.0mm程度厚の補強材230を接着して樹脂搭載用基板210の平坦性と強度を確保した上で半導体チップ220を保護する0.5〜1.0mm厚の蓋部243が接着されて半導体装置200が構成されている。
In the
上記構成材料で製造された常温での半導体装置200の搭載用基板210には図22(a)のような基板の反りが生じている。この断面図は、図19(a)のD−D‘線に沿った断面図である。半導体チップ220直下はアンダーフィル樹脂240の収縮により半導体チップ220側に引っ張られてチップ搭載面側に凸になった状態である。また補強材230の直下も、チップ搭載面側に少し凸の形状に変形している。すなわち2段形状に変形している。
The
アンダーフィル樹脂240の熱膨張率を16〜22ppm程度に低くすれば、半導体チップ220直下の凸形状に引っ張られる現象はある程度抑制されるが、搭載用基板の反り量を大幅に低減させるのは難しい。また、アンダーフィル樹脂240の熱膨張率を低くするためには、通常シリカフィラー等を多量に配合するが、そうすると樹脂の粘度が上昇してしまう。この結果、搭載用基板210と半導体チップ220との対向領域のアンダーフィル樹脂240内にボイドを取り込み、剥離現象を発生させ易くなるため、熱膨張率を32ppm以下に下げることが困難であった。すなわち、アンダーフィル樹脂240の熱膨張率と粘度の関係は、熱膨張率を下げるためにはシリカ、アルミナのようなフィラーを多く混入すればよいが、これらのフィラーの混入量が多くなると粘度が上昇するというトレードオフの関係にある。
If the coefficient of thermal expansion of the
次に、特許文献2には、配線パターン面に半導体チップを接続しその隙間に第1の封止材(アンダーフィル樹脂)を60〜120℃で進入させて、更に140〜170℃で硬化させた後に半導体チップの側面を第2の封止材(公知のフィレット材)により封止した構成の半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体チップの直下に第1の封止材が存在し、半導体チップの側面に第2の封止材がフィレット状に形成されている。 Next, in Patent Document 2, a semiconductor chip is connected to a wiring pattern surface, a first sealing material (underfill resin) is introduced into the gap at 60 to 120 ° C., and further cured at 140 to 170 ° C. After that, a semiconductor device having a configuration in which the side surface of a semiconductor chip is sealed with a second sealing material (known fillet material) is disclosed. In this semiconductor device, a first encapsulant exists directly below a semiconductor chip, and a second encapsulant is formed in a fillet shape on a side surface of the semiconductor chip.
更に、特許文献3には、インターポーザ基板に半導体チップをフリップチップ接続し、インターポーザ基板と半導体チップ間と補強材に相当する部分をトランスファーモールドで一体的に充填してからヒートスプレッダ(蓋部に相当)を接着した構造の半導体装置が開示されている。
Further, in
上述した従来の半導体装置は、半導体チップを構成する例えばシリコンと有機系の樹脂基板からなる搭載用基板のように熱膨張率の異なる材料間を半田接続しているバンプが破壊されるのを防止するために、高熱膨張率,高弾性率のアンダーフィル樹脂を半導体チップと搭載用基板との間に充填することによって、両者の熱膨張率差による応力を緩和させていた。しかし、各材料の熱膨張率と弾性率が大きく異なることから製造工程が終了した時点で、半導体チップとアンダーフィル樹脂を介して対向している搭載用基板の対向領域は半導体チップ側に引っ張られる応力が発生して反った状態になっている。このため、反り量が大きくなると、当該半導体装置が実装される回路基板等に半田付け実装する際に反った部分の半田接続不良が発生し易くなるという問題が生じる。また、半導体装置自体に関しても、5℃〜35℃程度の範囲の温度変動の小さい常温状態であれば問題がないが、温度サイクルのように低温、高温が繰り返されると搭載用基板の反りにより、半導体チップのパッドと搭載用基板のランドを接合する半田バンプにクラックが生じたり、各接合界面で剥離が生じたりするという問題があった。 The above-described conventional semiconductor device prevents the bumps connecting the materials having different coefficients of thermal expansion from being soldered, such as a mounting board made of silicon and an organic resin substrate, which constitutes a semiconductor chip, from being broken. In order to achieve this, an underfill resin having a high coefficient of thermal expansion and a high modulus of elasticity is filled between the semiconductor chip and the mounting substrate so as to reduce the stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the two. However, since the thermal expansion coefficient and the elastic modulus of each material are significantly different, when the manufacturing process is completed, the facing region of the mounting substrate facing the semiconductor chip via the underfill resin is pulled toward the semiconductor chip. It is in a warped state due to the occurrence of stress. For this reason, when the amount of warpage is large, there arises a problem that when soldering and mounting on a circuit board or the like on which the semiconductor device is mounted, defective solder connection at the warped portion is likely to occur. In addition, the semiconductor device itself has no problem if it is in a normal temperature state with a small temperature fluctuation in a range of about 5 ° C. to 35 ° C. However, when the low temperature and the high temperature are repeated as in a temperature cycle, the mounting substrate warps. There has been a problem that cracks occur in solder bumps joining the pads of the semiconductor chip and the lands of the mounting substrate, and peeling occurs at each joint interface.
また、例えば、半導体チップの直下に第1の封止材が存在し、側面に第2の封止材がフィレット状に形成された構造でも、半導体チップ直下の配線パターンの収縮を完全に防止することはできない。更に、トランスファーモールドでフィラー含有量の多い封止用樹脂をアンダーフィル樹脂としてインターポーザ基板と半導体チップ間に注入充填した構造の場合、樹脂の粘度が高いのでインターポーザ基板と半導体チップとの隙間にボイドを取り込み易くなり、剥がれやクラックの発生等の信頼性を損なう問題点を生じる。 Further, for example, even in a structure in which the first sealing material is present directly below the semiconductor chip and the second sealing material is formed in a side surface in a fillet shape, contraction of the wiring pattern immediately below the semiconductor chip is completely prevented. It is not possible. Furthermore, in the case of a structure in which a sealing resin having a high filler content is injected and filled between the interposer substrate and the semiconductor chip as an underfill resin by transfer molding, voids are formed in the gap between the interposer substrate and the semiconductor chip because the viscosity of the resin is high. It becomes easy to take in and there is a problem that reliability is impaired, such as peeling and cracking.
本発明の目的は、半導体チップと、この半導体チップが第1の面にフリップチップ接続された搭載用基板を備えた半導体装置であって、封止した後の状態で、搭載用基板の反り量が当該半導体装置を実装する回路基板等の実装用基板への半田付け実装において支障のない範囲内であり、且つ温度サイクル試験において半導体チップと搭載用基板との接続部である半田バンプ等におけるクラックや剥離等の発生による破壊がなく、搭載用基板にもクラック等の発生がない半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is a semiconductor device including a semiconductor chip and a mounting substrate in which the semiconductor chip is flip-chip connected to a first surface, and the amount of warpage of the mounting substrate in a state after sealing. Is within a range that does not hinder soldering to a mounting board such as a circuit board on which the semiconductor device is mounted, and cracks in solder bumps and the like that are connection portions between the semiconductor chip and the mounting board in a temperature cycle test. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device which is free from destruction due to occurrence of peeling or peeling, and free from cracks or the like on a mounting substrate.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体チップと、この半導体チップが第1の面にフリップチップ接続された搭載用基板と、前記半導体チップと前記搭載用基板との間に第1の樹脂が充填されたアンダーフィル部とこのアンダーフィル部から前記第1の樹脂が延在したフィレット部とを有する第1充填部と、前記半導体チップを囲む枠状の補強材と、この補強材の第1の端面を前記搭載用基板に接着する第1の接着材と、前記補強材で囲まれた領域を覆う蓋部と、この蓋部を前記半導体チップの裏面及び前記補強材の第1の端面と反対側の第2の端面に接着する第2の接着材と、前記半導体チップの側面,前記搭載用基板及び前記フィレット部で囲まれる空間に前記第1の樹脂と異なる第2の樹脂を充填して形成された第2充填部を備える。より具体的には、上記半導体装置は、一主面に複数の外部接続用電極(以下、チップ電極とする)を備えた半導体チップと、各チップ電極と対応する電極(以下、内部ランド電極とする)を第1の面に備えた搭載用基板を有し、互いに対応するチップ電極と内ランド電極を半田バンプ等の導電性電極(以下、接続部材とする)を介して対向させながら接続することで半導体チップが搭載用基板に搭載されている。また、半導体チップと搭載用基板との間に第1の樹脂が充填されたアンダーフィル部と半導体チップ領域からこの第1の樹脂が延在したフィレット部とを有する第1充填部と、半導体チップを囲む枠状の補強材と、この補強材の第1の端面を搭載用基板に接着する第1の接着材と、補強材で囲まれた領域を覆う蓋部と、この蓋部を半導体チップの裏面及び補強材の第1の端面と反対側の第2の端面に接着する第2の接着材と、半導体チップの側面,搭載用基板及びフィレット部で囲まれる空間に第2の樹脂を充填して形成された第2充填部も備えている。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor chip, a mounting substrate in which the semiconductor chip is flip-chip connected to a first surface, and a semiconductor chip mounted between the semiconductor chip and the mounting substrate. A first filling portion having an underfill portion filled with a first resin, a fillet portion extending from the underfill portion with the first resin, a frame-shaped reinforcing material surrounding the semiconductor chip, A first adhesive for bonding a first end surface of the reinforcing material to the mounting substrate; a lid covering an area surrounded by the reinforcing material; and a lid for covering the back surface of the semiconductor chip and the reinforcing material. A second adhesive that adheres to a second end surface opposite to the first end surface, and a second material different from the first resin in a space surrounded by the side surface of the semiconductor chip, the mounting substrate, and the fillet portion. No. formed by filling the resin Comprising a filling unit. More specifically, the semiconductor device includes a semiconductor chip having a plurality of external connection electrodes (hereinafter, referred to as chip electrodes) on one main surface, and an electrode corresponding to each chip electrode (hereinafter, an internal land electrode). Is mounted on the first surface, and the chip electrodes and the inner land electrodes corresponding to each other are connected while facing each other via conductive electrodes such as solder bumps (hereinafter referred to as connection members). Thus, the semiconductor chip is mounted on the mounting substrate. A first filling portion having an underfill portion filled with a first resin between the semiconductor chip and the mounting substrate, and a fillet portion extending from the semiconductor chip region with the first resin; , A first adhesive for bonding the first end surface of the reinforcing material to the mounting substrate, a lid covering an area surrounded by the reinforcing material, and a semiconductor chip A second adhesive is bonded to the back surface of the semiconductor chip and a second end face of the reinforcing member opposite to the first end face, and a space surrounded by the side surface of the semiconductor chip, the mounting substrate, and the fillet portion is filled with a second resin. Also provided is a second filling portion formed as described above.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、搭載用基板に補強材を接着する工程と、搭載用基板に半導体チップを接続する工程と、第1の樹脂を充填・硬化する工程と、第2の樹脂を充填・硬化する工程と、蓋部を取り付ける工程と、半田バンプを接続する工程とを備え、少なくとも前記搭載用基板に補強材を接着する工程を第1番目の工程とし、前記搭載用基板に半導体チップを接続する工程を2番目の工程としたことを特徴とする。このとき、前記搭載用基板に補強材を接着する工程と、前記搭載用基板に半導体チップを接続する工程と、前記第1の樹脂を充填・硬化する工程と、前記第2の樹脂を充填・硬化する工程の各工程における樹脂の硬化は各樹脂を半硬化する処理であり、蓋部を取り付ける工程の硬化処理において全ての樹脂を本硬化するのが好ましい。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of bonding a reinforcing material to the mounting substrate, a step of connecting a semiconductor chip to the mounting substrate, a step of filling and curing the first resin, and a step of: A step of filling and curing the resin, a step of attaching a lid part, and a step of connecting solder bumps, wherein at least a step of bonding a reinforcing material to the mounting substrate is a first step, The step of connecting the semiconductor chip to the substrate is a second step. At this time, a step of bonding a reinforcing material to the mounting substrate, a step of connecting a semiconductor chip to the mounting substrate, a step of filling and curing the first resin, and a step of filling and curing the second resin The curing of the resin in each step of the curing step is a process of semi-curing each resin, and it is preferable that all the resins are fully cured in the curing process of the step of attaching the lid.
また、本発明の半導体装置の他の製造方法は、搭載用基板に補強材を接着する工程と、搭載用基板に半導体チップを接続する工程と、第1の樹脂を充填・硬化する工程と、第2の樹脂を充填・硬化する工程と、蓋部を取り付ける工程と、半田バンプを接続する工程とを備え、前記第2の樹脂の充填・硬化する工程は蓋部を取り付ける工程の後に実施することを特徴とする。 Another method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of bonding a reinforcing material to a mounting substrate, a step of connecting a semiconductor chip to the mounting substrate, and a step of filling and curing a first resin. The method includes a step of filling and curing the second resin, a step of attaching a lid, and a step of connecting a solder bump. The step of filling and curing the second resin is performed after the step of attaching the lid. It is characterized by the following.
上記構成の半導体装置において、第1の樹脂及び第2の樹脂は、第2の樹脂の熱膨張率が、第1の樹脂の熱膨張率よりも小さくなるように選択することで、熱硬化時や熱硬化後の温度変化による第1の樹脂の収縮・膨張応力を緩和することができる。従って、第1充填部のアンダーフィル部におけるボイドの発生を防止し接続部材の剥離,破壊を抑制するために、第1の樹脂として粘度は低いが熱膨張率がやや高い材料を用いても、搭載用基板の反りを抑制することができる。また、低温と高温を繰り返す温度サイクル試験においても第1の樹脂の収縮・膨張による応力が最小限に抑えられ、半田バンプ等の接続部材のクラック発生や剥離,破壊及びチップ電極や内部ランド電極の剥離を防止することができる。尚、第2の樹脂の熱膨張率は、搭載用基板の熱膨張率よりも小さくなっていればより好ましい。 In the semiconductor device having the above configuration, the first resin and the second resin are selected so that the coefficient of thermal expansion of the second resin is smaller than the coefficient of thermal expansion of the first resin. Or the shrinkage / expansion stress of the first resin due to a temperature change after heat curing. Therefore, in order to prevent the occurrence of voids in the underfill portion of the first filling portion and to prevent peeling and destruction of the connection member, even if a material having a low viscosity but a relatively high coefficient of thermal expansion is used as the first resin, Warpage of the mounting substrate can be suppressed. Also, in a temperature cycle test in which low and high temperatures are repeated, stress due to contraction and expansion of the first resin is minimized, and cracking, peeling, and destruction of connection members such as solder bumps and chip electrodes and internal land electrodes are prevented. Peeling can be prevented. It is more preferable that the coefficient of thermal expansion of the second resin is smaller than the coefficient of thermal expansion of the mounting substrate.
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、搭載用基板の強度を補強できるために製造工程中のハンドリング性を改善すると共に反りを抑えることができる。また、各接着材及び樹脂を各工程で仮キュアして半硬化状態にしておき最後に本キュアして完全硬化するために製造後の反りを最小に抑えることができる。 Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the strength of the mounting substrate can be reinforced, the handling property during the manufacturing process can be improved and the warpage can be suppressed. In addition, since each adhesive and resin are temporarily cured in each step to be in a semi-cured state, and finally cured and completely cured, warpage after production can be minimized.
また、本発明の半導体装置の他の製造方法によれば、蓋部を取り付けてから第2の樹脂を注入・硬化させているので、第2の樹脂を完全に充填でき、蓋部近傍に空隙ができず搭載用基板の変形を抑制することができる。 According to another manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, since the second resin is injected and cured after the lid is attached, the second resin can be completely filled, and the gap is formed near the lid. And deformation of the mounting substrate can be suppressed.
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の半導体装置の第1の実施形態を示す図で、(a)及び(b)は、それぞれ蓋部を外した状態の平面図、及び(a)のA1−A1’線に沿った位置で蓋部が取り付けられた状態の断面図である。図1(a),(b)を参照すると、本実施形態の半導体装置1は、半導体チップ20と、半導体チップ20が第1の面にフリップチップ接続された搭載用基板10と、半導体チップ20と搭載用基板10との対向領域の隙間に第1の樹脂が充填されたアンダーフィル部40aと半導体チップ20と搭載用基板10との対向領域から第1の樹脂が延在したフィレット部40bとを有する第1充填部40と、半導体チップ20を囲む枠状の補強材30と、この補強材30の第1の端面を搭載用基板10に接着する第1の接着材42と、補強材30及び補強材30で囲まれた領域を覆う蓋部31と、蓋部31を半導体チップ20の裏面及び補強材31の第1の端面と反対側の第2の端面に接着する第2の接着材43と、補強材30,半導体チップ20の側面,搭載用基板10及び第1の樹脂からなるフィレット部40bで囲まれる空間に第2の樹脂を充填して形成された第2充填部41を備える。以下、具体的に説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIGS. 1A and 1B are views showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. FIGS. 1A and 1B are plan views of the semiconductor device with a lid removed, and FIG. It is sectional drawing of the state where the cover part was attached in the position along. Referring to FIGS. 1A and 1B, a
半導体チップ20は、主表面に外部接続用の複数のチップ電極21を備えている。搭載用基板10は、第1の面上にチップ電極21と対応する位置に形成された内部ランド電極11と、第1の面と反対側の第2の面上に形成された外部ランド電極12と、互いに対応する内部ランド電極11と外部ランド電極12とを接続する基板内配線15と、外部ランド電極12に接着された例えば半田バンプ13を備え、この半田バンプ13は半導体装置1の外部端子となっている。
The
搭載用基板10と半導体チップ20とは、互いに対応する内部ランド電極11とチップ電極21とが導電性材料で形成されたバンプ電極22を介して接続されている。第1充填部40を形成する第1の樹脂は、この接続部の応力を緩和させている。
The mounting
半導体チップ20は、搭載用基板10の中央部に搭載されており、補強材30が半導体チップ20の周囲を囲んで搭載用基板10の第1の面の周縁部に第1の接着材42により接着されている。この半導体装置1は、補強材30により、製造工程中の熱的、機械的応力による搭載用基板10の反りを低減させると共に強度を補強している。
The
また、搭載用基板10,補強材30の内壁,半導体チップ20の側壁,蓋部31及びフィレット部40bで囲まれる空間に第2の樹脂を充填し、硬化させて第2充填部41が形成され、ほぼ空間をなくすようにしている。この第2充填部41を形成する第2の樹脂の熱膨張率、より具体的には線膨張率は、少なくとも第1の樹脂の熱膨張率よりも低くなっている。このように半導体装置1は、半導体チップ20と補強材30との間の空間に少なくとも第1の樹脂よりも低熱膨張率の第2の樹脂を充填・硬化した第2充填部41が形成されているので、高温・低温時の第1の樹脂40の膨張・収縮による搭載用基板10の反りを抑制できる。尚、第2の樹脂の熱膨張率を、第1の接着材42、第2の接着材43、搭載用基板10等の熱膨張率よりも低くすることにより、搭載用基板10の反りを一層低減できる。
Further, the space surrounded by the mounting
ここで、第1充填部40に用いた第1の樹脂、第2充填部41に用いた第2の樹脂等の樹脂の特性の例を表−1に示す。
表−1 各樹脂の特性
熱膨張率 (ppm) 弾性率 (GPa)
第1の接着材 16〜22 11〜12
第1の樹脂 30〜32 9〜10
第2の樹脂 8〜16 11〜28
第2の接着材 50〜100 3〜9
Here, Table 1 shows examples of the characteristics of the resin such as the first resin used for the
Table 1 Properties of each resin
Coefficient of thermal expansion (ppm) Modulus of elasticity (GPa)
First adhesive 16-22 11-12
First resin 30-329 9-10
Second resin 8-16 11-28
Second adhesive 50-100 3-9
次に、図8(a)〜(e)及び図9(a)〜(c)を参照して、本実施形態の半導体装置10の製造方法を工程順に沿って説明する。先ず、搭載用基板10を準備する。搭載用基板10の第1の面上には、搭載される半導体チップ20のチップ電極21と対応する位置に形成された内部ランド電極11と、第1の面と反対側の第2の面上に形成された外部ランド電極12とを備え、互いに対応する内部ランド電極11と外部ランド電極12が基板内配線15により接続されている(図8(a))。
Next, with reference to FIGS. 8A to 8E and FIGS. 9A to 9C, a method of manufacturing the
次に、搭載用基板10の周縁部に熱膨張率が16〜22ppm程度、弾性率が11〜12GPaの第1の接着材42を、やはり予め準備してある枠状の補強材30の形状と一致するように口字状に塗布した後、補強材30を第1の接着材42が塗布された部分に位置合わせして第1の端面が第1の接着材42と接するように載置し、125℃程度で約15分間仮キュアする(図8(b))。この状態では、補強材30は搭載用基板10に接着されているが、第1の接着材42は熱硬化反応して、ゲル化が進行し一部固体化しているが未だ完全には固化していない。尚、第1の接着材42は、例えばエポキシ系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、シリコン系樹脂、シアネートエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリノルボルネン系樹脂を含む樹脂群の中から選択された樹脂材料を主成分として、熱膨張率と弾性率が所望の値になるように無機質フィラーを適量混入させて調整してある。また、補強材30の材料は、Cu、SUS(フェライト系ステンレス鋼)、アルミナ、シリコン、窒化アルミニウム、エポキシ樹脂等を含むグループの中から選択できる。
Next, a first adhesive 42 having a coefficient of thermal expansion of about 16 to 22 ppm and an elasticity of 11 to 12 GPa is provided on the peripheral portion of the mounting
次に、チップ電極21上にバンプ電極22が接着された半導体チップ20を、各バンプ電極22が対応する内部ランド電極11と接するように位置決め載置して、例えば窒素雰囲気中で250℃に加熱して搭載用基板10の内部ランド電極11にフリップチップ接続する(図8(c))。
Next, the
次に、半導体チップ20と搭載用基板10との隙間にディイスペンサ等で第1の樹脂を滴下方法で注入・充填した後、100℃程度で約10分仮キュアし第1充填部40を形成する(図8(d))。この状態では第1の樹脂も熱硬化反応して、ゲル化が進行し一部固体化しているが未だ完全には固化していない。尚、第1の樹脂は、例えばエポキシ系樹脂を熱膨張率が32ppm程度、弾性率が9GPa程度になるように調整したものである。第1の樹脂がこの特性であれば、流動性が1000〜40000CPS(centipoises )でありアンダーフィル部40aにボイドを発生させることなく注入・充填できる。このとき、第1の樹脂により、半導体チップ20と搭載用基板10との隙間のアンダーフィル部40aと共にこのアンダーフィル部40aから半導体チップ20の周囲に延びるフィレット部40bも形成される。但し、フィレット部40bは補強材30まで達することはなく、この時点ではフィレット部40bと補強材30との間に搭載用基板10の第1の面が露出している。
Next, the first resin is injected and filled into the gap between the
次に、補強材30の内壁,半導体チップ20の側壁,搭載用基板10の第1の面及びフィレット部40bで囲まれた空間に第2の樹脂を充填後、約150℃で30分程度仮キュアして第2充填部41を形成する(図8(e))。第2の樹脂についても、やはりこの状態では、熱硬化反応して、ゲル化が進行し一部固体化しているが未だ完全には固化していない。第2充填部41を形成する第2の樹脂としては、第1の樹脂よりも熱膨張率が小さい、例えば熱膨張率が8〜16ppm程度で弾性率が11〜28GPaのエポキシ系樹脂を用いることができる。尚、第2の樹脂の熱膨張率を搭載用基板10の熱膨張率よりも小さくできればより好ましい。また、その充填方法としては、インジェクション注入、トランスファー封止、液状樹脂の滴下等の方法を用いることができる。
Next, after filling the second resin into the space surrounded by the inner wall of the reinforcing
次に、半導体チップ20の裏面及び補強材30の第2の端面に第2の接着材43を塗布した後(図9(a))、蓋部31を補強材30で囲まれた領域全体を覆うように載置し、更に蓋部31の上に適切な荷重を載せて約175℃まで緩やかに昇温させた後、更に約175℃の状態を60分程度維持して本キュアする(図9(b))。これにより、第1充填部40の第1の樹脂,第2充填部41の第2の樹脂,第1の接着材42及び第2の接着材43が全て完全に硬化され、蓋部31も完全に接着される。尚、第2の接着材43としては、熱膨張率が50〜100ppm程度の例えばエポキシ系樹脂を用いることができる。また、第2の接着材43の場合は、無機質フィラーとしてAg、Cu粉末等を適量混入しておけば第2の接着材43の熱伝導性が向上し、より好ましい。
Next, after the
次に、搭載用基板10の外部ランド電極12に外部端子である半田パンプ13を一般的な方法で接着し、半導体装置1が完成する(図9(c))。
Next, a
尚、上述した第1の樹脂,第2の樹脂,第1の接着材42及び第2の接着材43の主成分樹脂材料は、全て同じ例えばエポキシ系樹脂を用いることができ、それぞれに求められる熱膨張率等の特性に応じて、無機質フィラーの含有量を変えて最適な特性に調整して使用すればよい。
As the main resin materials of the first resin, the second resin, the
また、蓋部31の内壁と第2充填部41との間にできる空隙47は出来るだけ小さい方が望ましいが、第2充填部41が半導体チップ20の裏面の高さまで充填されていれば、その大きさは特に問題とならない。逆に、第2充填部41の一部が蓋部31の内壁と接していたり、空隙47が消滅していても良い。
Further, it is desirable that the
次に、本発明の半導体装置の第2の実施形態について説明する。
図2は、本発明の半導体装置の第2の実施形態の断面図で、図1(b)に相当する図である。図2を参照すると、本実施形態の半導体装置1aの構成は半導体装置1の構成とほとんど同じであるが、唯一異なる点は搭載用基板10へ補強材30を接着する第1の接着材42aとして第2の樹脂を用いたことである。この半導体装置1aにおいては、補強材30を接着する第1の接着材42aに熱膨張率が8〜16ppm程度で弾性率が11〜28GPaの第2の樹脂を用いることによって、半導体チップ20直下の搭載用基板10の収縮の程度をより緩和することができ、搭載用基板10の反りを抑制できる。尚、本実施形態の半導体装置1aの製造方法は、第1の接着材40の代わりに第2の樹脂からなる第1の接着材40aを用いるだけで、他の工程は第1の実施形態の半導体装置1の製造方法と同じである。
Next, a second embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described.
FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment of the semiconductor device of the present invention, and is a view corresponding to FIG. Referring to FIG. 2, the configuration of the semiconductor device 1 a of the present embodiment is almost the same as the configuration of the
次に、本発明の半導体装置の第3の実施形態について説明する。
図3は、本発明の半導体装置の第3の実施形態を示す図で、(a)乃至(c)はそれぞれ蓋部を外した状態の平面図、(a)のA2−A2’線に沿った位置で蓋部が取り付けられた状態の断面図及び(b)の補強材と搭載用基板との接着部の部分拡大断面図である。図3(a)乃至(c)を参照すると、本実施形態の半導体装置1bは、半導体チップ20と、半導体チップ20が第1の面にフリップチップ接続された搭載用基板10と、半導体チップ20と搭載用基板10との対向領域の隙間に第1の樹脂が充填されたアンダーフィル部40aと半導体チップ20と搭載用基板10との対向領域から第1の樹脂が延在したフィレット部40bとを有する第1充填部40と、半導体チップ20を囲む枠状の補強材32と、この補強材32の第1の端面を搭載用基板10に接着する第1の接着材42と、補強材32及び補強材32で囲まれた領域を覆う蓋部31と、蓋部31を半導体チップ20の裏面及び補強材31の第1の端面と反対側の第2の端面に接着する第2の接着材43と、補強材32,半導体チップ20の側面,搭載用基板10及び第1充填部40のフィレット部40bで囲まれる空間に第2の樹脂を充填して形成した第2充填部41を備える。第3の実施形態の半導体装置1bの構成は半導体装置1の構成とほとんど同じであるが、唯一異なる点は、補強材32の第1の端面と搭載用基板10との間の隙間が凹凸形状となっている点である。半導体装置1の補強材30の第1の端面は、全面が平面となっているが、半導体装置1bの補強材32の第1の端面の形状は、例えば渦巻状あるいは格子状の溝等により凸部50と凹部が交互に形成された形状となっている。このとき、その溝または凹部の深さは、適宜設定できるが半導体チップ20と搭載用基板10との隙間であるが50〜200μm程度が好ましい。補強材32の材料は、Cu、SUS(フェライト系ステンレス鋼)、アルミナ、シリコン、窒化アルミニウム、エポキシ樹脂等を含むグループの中から選択できる。この補強材32と搭載用基板10の接着は第1の端面の凹部に第1の接着材42を充填して接着している。尚、この場合も第1の接着材42の代わりに第2の樹脂を第1の端面の凹部に充填して接着してもよい。
Next, a third embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described.
FIGS. 3A to 3C are views showing a third embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIGS. 3A to 3C are plan views of the semiconductor device with a lid removed, and are taken along line A2-A2 'in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where a lid is attached at a position where the lid is attached, and a partially enlarged cross-sectional view of a bonding portion between a reinforcing material and a mounting substrate in FIG. Referring to FIGS. 3A to 3C, a semiconductor device 1b according to the present embodiment includes a
この半導体装置1bの構造による常温及び温度サイクルによる作用的特徴は、搭載用基板10と補強材32の接着状態を半導体チップ20と搭載用基板10との状態に近づけることによってまず補強材32による搭載用基板10の反りを抑制する。更に、半導体チップ20が接続されている搭載用基板10との間に第1の樹脂を充填して第1充填部40が形成されると共に、半導体チップ20の周囲の空間に第2の樹脂を空間全体が埋まるように充填し、硬化させて第2充填部41が形成されている。この第2の樹脂を半導体チップ20の側壁と補強材32の内壁との間の空間に充填して第2充填部41を形成することにより上下方向の動きを抑制する。また、補強材32がシリコン、や銅などの材料からなるときは、第1の端面の凸部50が接触する搭載用基板10の領域に接続用電極を設けておくと共に第1の端面の凸部50をメタライズしてからフラックスで活性化させ前述の接続用電極と半田付け接続する。この場合には、搭載用基板10と補強材32の接着状況が半導体チップ20と搭載用基板10の接着状況と同じ状態にすることができるので収縮による反りを抑えることができる。また、上記説明では補強材32の第1の端面の形状を凹凸形状にした例を示したが、搭載用基板10の補強材32と接する領域に凸部50としてギャップ部材となる例えば半田バンプ等の低融点金属部材を配置して凹凸形状を形成してもよい。
The functional characteristic of the structure of the semiconductor device 1b at room temperature and the temperature cycle is that the mounting state of the mounting
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
図4は、本発明の半導体装置の第4の実施形態を示す断面図であり、第1の実施形態の図1(b)に相当する図である。図4を参照すると、本実施形態の半導体装置1cは、補強材33の開口部の形状が逆テーパ状に形成されている点が、第1の実施形態乃至第3の実施形態の各半導体装置1,1a,1bと異なるだけで、他の構成は半導体装置1,1a,1bと同じ構成であってよい。半導体装置1cでは、補強材33の庇部分が第2の樹脂の上に覆い被さっているので、フィレット部40bと第2充填部41が蓋部31側に変形するのを防止する効果がある。尚、第4の実施形態の半導体装置1cの製造方法は、第1の実施形態乃至第3の実施形態の各半導体装置の製造方法と同じであり、説明は省略する。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a sectional view showing a fourth embodiment of the semiconductor device of the present invention, and is a view corresponding to FIG. 1B of the first embodiment. Referring to FIG. 4, the semiconductor device 1c of the present embodiment is different from the semiconductor devices of the first to third embodiments in that the opening of the reinforcing
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
図5は、本発明の半導体装置の第5の実施形態を示す図で、(a)は蓋部を外した状態の平面図であり、(b)及び(c)はいずれも蓋部が取り付けられた状態でそれぞれ(a)のB−B’線に沿った位置での部分断面図及び(a)のC−C’線に沿った位置での断面図である。図5(a)乃至(c)を参照すると、本実施形態の半導体装置1dは、半導体チップ20と、半導体チップ20が第1の面にフリップチップ接続された搭載用基板10と、半導体チップ20と搭載用基板10との対向領域の隙間に第1の樹脂が充填されたアンダーフィル部40aと半導体チップ20と搭載用基板10との対向領域から第1の樹脂が延在したフィレット部40bとを有する第1充填部40と、半導体チップ20を囲む枠状の補強材34と、この補強材34の第1の端面を搭載用基板10に接着する第1の接着材42と、補強材34及び補強材34で囲まれた領域を覆う蓋部31と、蓋部31を半導体チップ20の裏面及び補強材31の第1の端面と反対側の第2の端面に接着する第2の接着材43と、補強材34,半導体チップ20の側面,搭載用基板10及び第1充填部40のフィレット部40bで囲まれる空間に第2の樹脂を充填して形成された第2充填部41を備える。第5の実施形態の半導体装置1dの構成は半導体装置1の構成とほとんど同じであるが、唯一異なる点は、補強材34の4つのコーナー部の第1の端面側に溝部34aが形成されており、この溝部34aにも第2の樹脂が充填されている点である。矩形状の半導体装置においては、対角線の長さが最も大きいので膨張・収縮による影響が出やすい。半導体装置1dでは、上記構造により膨張・収縮による影響を抑制する効果が得られている。
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a fifth embodiment of the semiconductor device of the present invention, wherein FIG. 5A is a plan view showing a state in which a lid is removed, and FIGS. FIG. 4A is a partial cross-sectional view taken along a line BB ′ in FIG. 4A and a cross-sectional view taken along a line CC ′ in FIG. Referring to FIGS. 5A to 5C, a
本実施形態の半導体装置1dでは、補強材34の材料として、熱膨張率がAl、Cu、SUSのように搭載用基板10に近い材料を用いるのが好ましい。搭載用基板10と補強材34の溝部34a以外の部分、すなわち辺央部分との接着には、第1の接着材42を用いてもよいが第2の樹脂41を使用するのがより好ましい。また、コーナー部に設けられた溝部34aには、第2の樹脂が充填される。この第5の実施形態の構造による作用的特徴は、搭載用基板10及び補強材34の熱膨張特性をほぼ一致させると共に溝部34aに第2の樹脂を充填することによって搭載用基板10の反りを抑えつつ半導体チップ20直下の搭載用基板10の反りを上述した第1充填部40と第2充填部41で抑制している。
In the
次に、本実施形態の半導体装置1dの製造方法について説明する。半導体装置1dの第1の製造方法は、第1の実施形態の半導体装置1の製造方法とほぼ同様であるので、異なる点のみについて説明する。第1の異なる点は、第1の端面が平坦な補強材30の代わりに第1の端面の各コーナー部に溝部34aが形成された補強材34を用いる点である。第2の異なる点は、補強材34を用いることに伴うものであって、第1の接着材42または第2の樹脂を枠状の補強材34の形状と一致するように口字状に塗布し、更に溝部34aに対応する位置に第2の樹脂を重ねて塗布した後、補強材34を第1の接着材42または第2の樹脂が口字状に塗布された部分に位置合わせして第1の端面が第1の接着材42または第2の樹脂41と接するように載置する点である。他は、半導体装置1の製造方法と同様にして製造できる。
Next, a method for manufacturing the
次に、半導体装置1dの第2の製造方法について図10(a)乃至(e)、図11(a)及び(b)並びに図12(a)及び(b)を参照して説明する。先ず、搭載用基板10及び補強材34(但し、図10(a)では図示せず)を準備する。搭載用基板10の第1の面上には、搭載される半導体チップ20のチップ電極21と対応する位置に形成された内部ランド電極11と、第1の面と反対側の第2の面上に形成された外部ランド電極12とを備え、互いに対応する内部ランド電極11と外部ランド電極12が基板内配線15により接続されている(図10(a))。
Next, a second method for manufacturing the
次に、搭載用基板10の周縁部に熱膨張率が16〜22ppm程度、弾性率が11〜12GPaの第1の接着材42を、予め準備してある枠状の補強材34の形状と一致するように口字状に塗布した後、補強材34を第1の接着材42が塗布された部分に位置合わせして第1の端面が第1の接着材42と接するように載置し、125℃程度で約15分間仮キュアする(図10(b))。この状態では、補強材30は搭載用基板10に接着されているが、第1の接着材42は熱硬化反応して、ゲル化が進行し一部固体化しているが未だ完全には固化していない。尚、第1の接着材42は、例えばエポキシ系、ポリオレフィン系、シリコン系、シアネートエステル系、ポリイミド系、ポリノルボルネン系を含む樹脂群の中から選択された樹脂材料を主成分として、熱膨張率と弾性率が所望の値になるように無機質フィラーを適量混入させて調整してある。また、補強材34の材料は、熱膨張率が搭載用基板10の熱膨張率に近いCu、SUS(フェライト系ステンレス鋼)、Al等を含むグループの中から選択するのが好ましい。
Next, a first adhesive 42 having a coefficient of thermal expansion of about 16 to 22 ppm and an elasticity of 11 to 12 GPa is provided on the periphery of the mounting
次に、チップ電極21上にバンプ電極22が接着された半導体チップ20を、各バンプ電極22が対応する内部ランド電極11と接するように位置決め載置して、例えば窒素雰囲気中で250℃に加熱して搭載用基板10の内部ランド電極11にフリップチップ接続する(図10(c))。
Next, the
次に、半導体チップ20と搭載用基板10との隙間にディイスペンサ等で第1の樹脂を滴下方法で注入・充填した後、100℃程度で約10分仮キュアして第1充填部40を形成する(図10(d))。この状態では第1の樹脂も熱硬化反応して、ゲル化が進行し一部固体化しているが未だ完全には固化していない。尚、第1の樹脂は、例えばエポキシ系樹脂を熱膨張率が32ppm程度、弾性率が9GPa程度になるように調整したものである。第1の樹脂がこの特性であれば、流動性が1000〜40000CPS(centipoises )でありアンダーフィル部40aにボイドを発生させることなく注入・充填できる。このとき、第1の樹脂により、半導体チップ20と搭載用基板10との隙間のアンダーフィル部40aと共にこのアンダーフィル部40aから半導体チップ20の周囲に延びるフィレット部40bも形成される。但し、フィレット部40bは補強材34まで達することはなく、この時点ではフィレット部40bと補強材30との間に搭載用基板10の第1の面が露出している。
Next, the first resin is injected and filled into the gap between the
次に、半導体チップ20の裏面及び補強材34の第2の端面に第2の接着材43を塗布した後(図10(e))、蓋部31を補強材34で囲まれた領域全体を覆うように載置し、150℃程度で、30分間程度加熱して第2の接着材43を仮キュアして蓋部31を接着させる(図11(a)及び(b))。尚、第2の接着材43としては、熱膨張率が50〜100ppm程度の例えばエポキシ系樹脂を用いることができる。また、第2の接着材43の場合は、無機質フィラーとしてAg、Cu粉末等を適量混入しておけば第2の接着材43の熱伝導性が向上し、より好ましい。
Next, after the
次に、補強材34のコーナー部に形成された溝部34aの2ヶ所に加温圧入ノズル60を接触させて、半導体チップ20の側面,補強材34の内壁,蓋部31,搭載用基板10及びフィレット部40bで囲まれた空間に第2の樹脂を注入・充填して第2充填部41を形成する(図12(a)及び(b))。尚、前述の空間に第2の樹脂を注入・充填する方法としては、トランスファーモールドで圧入する方法を用いることもできる。
Next, the heating and press-fitting
次に、全体を約175℃まで緩やかに昇温させた後、更に約175℃の状態を60分程度維持して本キュアすることで、第1充填部40の第1の樹脂,第2充填部41の第2の樹脂,第1の接着材42及び第2の接着材43を全て完全に硬化させる。その後、搭載用基板10の外部ランド電極12に外部端子となる例えば半田パンプ13を一般的な方法で接着して、図5に示すような半導体装置1dが完成する。
Next, after the whole is gradually heated to about 175 ° C., the state is further maintained at about 175 ° C. for about 60 minutes, and the main curing is performed. The second resin, the
次に、本発明の半導体装置の第6の実施形態について説明する。
図6は、本発明の半導体装置の第6の実施形態の断面図で、図1(b)に相当する図である。本実施形態の半導体装置1eは、第1の実施形態の半導体装置1の補強材30を、有機材料の樹脂で形成された補強材35に替えただけで、他の構成は全て半導体装置1と同じである。本実施形態の半導体装置1eの製造方法は、樹脂製の補強材35を例えばトランスファー封止により予め製作して準備しておけば、その他の製造手順は図13(a)乃至(e)並びに図14(a)及び(b)に示すように第1の実施形態の半導体装置1の製造方法と同じであり、詳細な説明は省略する。概略を説明すれば、先ず搭載用基板10に第1の接着材42を塗布し、樹脂製補強材35を載置して仮キュアする。次に半導体チップ20を内部ランド電極11にフリップチップ接続して、第1の樹脂を充填し仮キュアして第1充填部40を形成する。次に、半導体チップ20の側面,補強材35の内壁,搭載用基板10及びフィレット部40bで囲まれた空間に第2の樹脂を注入・充填して第2充填部41を形成した後、半導体チップ20の裏面と補強材35の第2の端面に第2の接着材43を塗布して蓋部31を載置し、本キュアして第1の接着材42、第1充填部40の第1の樹脂、第2充填部41の第2の樹脂及び第2の接着材43を完全に硬化させて半導体装置1eが完成する。
Next, a sixth embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described.
FIG. 6 is a sectional view of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention, and is a view corresponding to FIG. The semiconductor device 1e of the present embodiment differs from the
尚、本実施形態の半導体装置1eの他の製造方法としては、搭載用基板10をトランスファー封止用金型に載置して搭載用基板10に一体的に樹脂製補強材35を形成する方法も適用できる。この方法により図13(b)の形状が実現でき、その後は第1の実施形態の製造方法と同じ方法で処理できる。この方法によれば、製造工程の省力化ができる。
As another manufacturing method of the semiconductor device 1e of the present embodiment, a method of mounting the mounting
次に、本発明の半導体装置の第7の実施形態について説明する。
図7は、本発明の半導体装置の第7の実施形態の断面図で、図1(b)に相当する図である。本実施形態の半導体装置1fは、第1の実施形態の半導体装置1の補強材30を、有機材料の樹脂で形成され且つ開口部が逆テーパ状の補強材36に替えただけで、他の構成は全て半導体装置1と同じである。本実施形態の半導体装置1fでは第2充填部41の上に補強材36が庇状に覆い被さっている。この構造によってフィレット部40bと第2充填部41が蓋部31側に変形するのを抑制できる効果がある。本実施形態の半導体装置1fの製造方法は、第6の実施形態の半導体装置1eの製造方法と同じである。
Next, a seventh embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention, and is a view corresponding to FIG. The semiconductor device 1f according to the present embodiment is different from the
以上説明したように、本発明によれば搭載用基板上に半導体チップをフリップチップ接続し、その搭載用基板と半導体チップの隙間に第1の樹脂を充填して第1充填部を形成し、半導体チップの周囲を囲むように補強材を取り付けて蓋部の支持体とした場合に、搭載用基板,半導体チップの側面,補強材及び蓋部で囲まれる空間に第1の樹脂よりも低熱膨張率の第2の樹脂を充填・硬化して第2充填部が形成してあるために、第1充填部の膨張・収縮による搭載用基板の上下方向の動きを第2充填部が抑制し、温度サイクルによるチップ電極や内部ランド電極の剥離や半田バンプのクラックの発生を防止できる。また、製造の初期に搭載用基板の強度を補強できるために製造工程中のハンドリング性を改善すると共に反りを抑えることができる。更に、各接着材及び各樹脂を各工程で仮キュアしておき、最後に本キュアして完全に硬化することで製造後の反りを最小に抑えることができる。 As described above, according to the present invention, a semiconductor chip is flip-chip connected on a mounting substrate, a gap between the mounting substrate and the semiconductor chip is filled with a first resin to form a first filling portion, When a reinforcing material is attached so as to surround the periphery of the semiconductor chip to serve as a support for the lid, the space surrounded by the mounting substrate, the side of the semiconductor chip, the reinforcing material and the lid has a lower thermal expansion than the first resin. The second filling portion is formed by filling and hardening the second resin at a predetermined rate, so that the second filling portion suppresses vertical movement of the mounting substrate due to expansion and contraction of the first filling portion, It is possible to prevent chip electrodes and internal land electrodes from peeling off due to a temperature cycle and to prevent cracks in solder bumps. Further, since the strength of the mounting substrate can be reinforced in the early stage of the manufacturing, the handleability during the manufacturing process can be improved and the warpage can be suppressed. Further, each adhesive and each resin are temporarily cured in each step, and finally, this is finally cured and completely cured, so that warpage after production can be minimized.
具体的には、例えば図17(a)乃至(e)は、それぞれ本発明の第1の実施形態乃至第5の実施形態の各半導体装置における搭載用基板の反りの状態を模式的に示す図である。尚、比較のために従来の半導体装置の搭載用基板の反りの状態を図17(f)に模式的に示している。図17(a)乃至(f)において、破線が搭載用基板の反りの状態を示している。図17(a)乃至(e)から分かるとおり、本発明の各実施形態の半導体装置の搭載用基板の反り量の最大値Wa, Wb, Wc, Wd及びWeは、いずれも従来の半導体装置の搭載用基板の反り量の最大値Wfよりも十分小さくなっていることが分かる。 Specifically, for example, FIGS. 17A to 17E are diagrams schematically showing warping states of the mounting substrate in each of the semiconductor devices according to the first to fifth embodiments of the present invention. It is. For comparison, FIG. 17F schematically shows a state of warpage of the mounting substrate of the conventional semiconductor device. 17A to 17F, broken lines indicate the warped state of the mounting substrate. As can be seen from FIGS. 17A to 17E, the maximum values Wa, Wb, Wc, Wd, and We of the amounts of warpage of the mounting substrate of the semiconductor device of each embodiment of the present invention are all smaller than those of the conventional semiconductor device. It can be seen that it is sufficiently smaller than the maximum value Wf of the amount of warpage of the mounting substrate.
また、図18は、本発明の第1の実施形態の構造を備えた半導体装置のサンプル(半導体チップのサイズ:17.3mm×17.3mm、搭載用基板の厚さ:約1.0mm、搭載用基板のサイズ:50mm×50mm)について、当該サンプルの温度を変化させたときの半導体装置の反り量、具体的には搭載用基板の反り量、の実測結果を示すグラフである。尚、図18には比較例として、従来構造の半導体装置(但し、半導体チップのサイズ、搭載用基板の厚さ及び搭載用基板のサイズは上記本発明のサンプルと同じ)の反り量も共に示してある。図18から分かるとおり、温度サイクル試験における搭載用基板の反りの程度も、本発明の構造を備えた半導体装置の方が従来構造の半導体装置の場合よりも大幅に抑制されていることが分かる。 FIG. 18 is a sample of a semiconductor device having the structure of the first embodiment of the present invention (semiconductor chip size: 17.3 mm × 17.3 mm, mounting substrate thickness: about 1.0 mm, mounting substrate (Size: 50 mm × 50 mm) is a graph showing actual measurement results of the amount of warpage of the semiconductor device when the temperature of the sample is changed, specifically, the amount of warpage of the mounting substrate. FIG. 18 also shows, as a comparative example, the warpage of a semiconductor device having a conventional structure (however, the size of the semiconductor chip, the thickness of the mounting substrate, and the size of the mounting substrate are the same as those of the sample of the present invention). It is. As can be seen from FIG. 18, the degree of warpage of the mounting substrate in the temperature cycle test is significantly suppressed in the semiconductor device having the structure of the present invention as compared with the semiconductor device having the conventional structure.
また、第2の実施形態のように搭載用基板に補強材を固着する第1の接着材として、第2の樹脂を用いることにより、第1充填部の膨張・収縮による搭載用基板の上下方向の動きを一層抑制することができ、温度サイクルによるチップ電極や内部ランド電極の剥離や半田バンプのクラックの発生をより効果的に防止できる。 Further, by using the second resin as the first adhesive material for fixing the reinforcing material to the mounting substrate as in the second embodiment, the vertical direction of the mounting substrate due to expansion and contraction of the first filling portion. Can be further suppressed, and peeling of chip electrodes and internal land electrodes due to temperature cycles and generation of cracks in solder bumps can be more effectively prevented.
また、第5の実施形態のように補強材の第1の端面の4隅に溝部を形成し、この溝部に低熱膨張率の第2の樹脂を充填して補強材と搭載用基板の接着材の一部として用いることで、矩形形状の半導体装置で最も寸法が大きい対角線方向の膨張収縮の影響を一層抑制することができ、やはり温度サイクルによるチップ電極や内部ランド電極の剥離や半田バンプのクラックの発生をより効果的に防止できる。また、第5の実施形態の第2の製造方法によれば、蓋部31を先に取り付けてから第2の樹脂を注入・硬化させて第2充填部41を形成しているので第2の樹脂が完全に充填でき蓋部31と第2充填部41との間に空隙47ができず搭載用基板10の変形を抑制することができる。
Also, as in the fifth embodiment, grooves are formed at the four corners of the first end face of the reinforcing member, and the grooves are filled with a second resin having a low coefficient of thermal expansion to form an adhesive between the reinforcing member and the mounting substrate. By using it as a part of the semiconductor device, the influence of diagonal expansion and contraction, which is the largest dimension of a rectangular semiconductor device, can be further suppressed, and chip electrodes and internal land electrodes are peeled off due to temperature cycling, and cracks in solder bumps are also caused. Can be more effectively prevented. Further, according to the second manufacturing method of the fifth embodiment, the
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f 半導体装置
10 搭載用基板
11 内部ランド電極
12 外部ランド電極
13 半田バンプ
15 基板内配線
20 半導体チップ
21 チップ電極
22 バンプ電極
30 補強材
31,32,33,34,35,36 蓋部
34a 溝部
40 第1充填部
40a アンダーフィル部
40b フィレット部
41 第2充填部
42,42a 第1の接着材
43 第2の接着材
47 空隙
50 凸部
60 加温圧入ノズル
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e,
Claims (22)
この半導体チップが第1の面にフリップチップ接続された搭載用基板と、
前記半導体チップと前記搭載用基板との間に第1の樹脂が充填されたアンダーフィル部とこのアンダーフィル部から前記第1の樹脂が延在したフィレット部とを有する第1充填部と、
前記半導体チップを囲む枠状の補強材と、
この補強材の第1の端面を前記搭載用基板に接着する第1の接着材と、
前記補強材で囲まれた領域を覆う蓋部と、
この蓋部を前記半導体チップの裏面及び前記補強材の第1の端面と反対側の第2の端面に接着する第2の接着材と、
前記半導体チップの側面,前記搭載用基板及び前記フィレット部で囲まれる空間に前記第1の樹脂と異なる第2の樹脂を充填した第2充填部と、を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip,
A mounting substrate in which the semiconductor chip is flip-chip connected to the first surface;
A first filling portion having an underfill portion filled with a first resin between the semiconductor chip and the mounting substrate, and a fillet portion extending the first resin from the underfill portion;
A frame-shaped reinforcing material surrounding the semiconductor chip,
A first adhesive for bonding a first end surface of the reinforcing material to the mounting substrate;
A lid that covers an area surrounded by the reinforcing material,
A second adhesive for bonding the lid to the back surface of the semiconductor chip and to a second end surface of the reinforcing member opposite to the first end surface;
A semiconductor device comprising: a second filling portion in which a space surrounded by the side surface of the semiconductor chip, the mounting substrate, and the fillet portion is filled with a second resin different from the first resin.
前記第1の樹脂を充填・硬化する工程は前記第1の樹脂を前記半導体チップと前記搭載用基板との隙間に充填するステップと、前記第1の樹脂を半硬化させるステップを含み、
前記第2の樹脂を充填・硬化する工程は前記第2の樹脂を充填するステップと、前記第2の樹脂を半硬化させるステップを含み、
前記蓋部を取り付ける工程は第2の接着材を塗布するステップと、前記蓋部を前記第2の接着材の上に載置するステップと、前記第2の接着材を硬化させるステップを含み、
前記第2の接着材を硬化させるステップにおいて、前記第1の接着材,前記第2の接着材,前記第1の樹脂及び前記第2の樹脂の全てが本硬化される請求項19記載の半導体装置の製造方法。 The step of bonding a reinforcing material to the mounting substrate includes applying a first adhesive to the mounting substrate, and placing the reinforcing material on the first bonding material and then performing the first bonding. Semi-curing the material,
The step of filling and curing the first resin includes a step of filling the gap between the semiconductor chip and the mounting substrate with the first resin, and a step of semi-curing the first resin.
The step of filling and curing the second resin includes a step of filling the second resin and a step of semi-curing the second resin,
The step of attaching the lid includes applying a second adhesive, placing the lid on the second adhesive, and curing the second adhesive.
20. The semiconductor according to claim 19, wherein in the step of curing the second adhesive, all of the first adhesive, the second adhesive, the first resin, and the second resin are fully cured. Device manufacturing method.
前記第1の樹脂を充填・硬化する工程は前記第1の樹脂を前記半導体チップと前記搭載用基板との隙間に充填するステップと、前記第1の樹脂を半硬化させるステップを含み、
前記第2の樹脂を充填・硬化する工程は前記第2の樹脂を充填するステップと、前記第2の樹脂を半硬化させるステップを含み、
前記蓋部を取り付ける工程は第2の接着材を塗布するステップと、前記蓋部を前記第2の接着材の上に載置するステップと、前記第2の接着材を硬化させるステップを含み、
前記第2の樹脂を硬化させるステップにおいて、前記第1の接着材,前記第2の接着材,前記第1の樹脂及び前記第2の樹脂の全てが本硬化される請求項21記載の半導体装置の製造方法。
The step of bonding a reinforcing material to the mounting substrate includes applying a first adhesive to the mounting substrate, and placing the reinforcing material on the first bonding material and then performing the first bonding. Semi-curing the material,
The step of filling and curing the first resin includes a step of filling the gap between the semiconductor chip and the mounting substrate with the first resin, and a step of semi-curing the first resin.
The step of filling and curing the second resin includes a step of filling the second resin and a step of semi-curing the second resin,
The step of attaching the lid includes applying a second adhesive, placing the lid on the second adhesive, and curing the second adhesive.
22. The semiconductor device according to claim 21, wherein in the step of curing the second resin, all of the first adhesive, the second adhesive, the first resin, and the second resin are fully cured. Manufacturing method.
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